淮陰第二抽水站機組振動噪聲分析及對策建議

盛維高，戴啟璠，祁國虎

（1.江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇 淮安 223001；2.江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223001）

大型低揚程泵站流量大、揚程低，運行過程中常常會伴隨著振動和噪聲［1］，振動過大會導致水泵機組部件和泵站結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞［2］，超標準振動噪聲給泵站運行人員、儀器和設(shè)備均帶來危害，葉片區(qū)的水力激振［3］、葉片汽蝕［4］和機械摩擦等都會產(chǎn)生振動和噪聲。

張付林等［5］對雙向軸伸泵反向運行的流動和振動進行研究，結(jié)果表明反向運行時振動加速度峰值隨流量的減小先減后增。蔣紅櫻等［6］對潛水貫流泵站噪聲進行了現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)泵站各個工作面噪聲分布特征明顯，超標噪聲主要集中在低頻，該研究為泵站噪聲研究及后期治理提供了依據(jù)。李揚等［7］對立式全調(diào)節(jié)軸流泵進行多工況、多測點、多振動參數(shù)的現(xiàn)場試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，葉頻受流量的影響明顯，葉頻脈動對水泵傳動端軸承座徑向垂直和徑向水平方向振動都有影響，徑向水平方向振動受葉頻脈動影響程度更大。張世杰等［8］對雙吸離心泵泵站的壓力脈動和振動特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)振動的主要激勵源為動靜干涉效應，并對脈動信號進行頻譜分析。陳洋［9］以某立式潛水軸流泵站為例，分析其簸箕型進水流道內(nèi)部流態(tài)及水泵吸水管各斷面流速分布，提出了消渦改造方案。于孝民等［10］在大型泵站噪聲源的基礎(chǔ)上分析，提出對設(shè)備制造的要求，采用電動機和葉輪外殼隔音措施及空間布置隔音材料等方法對噪聲進行治理。

淮陰二站為南水北調(diào)東線第三級抽水站，承擔向洪澤湖和淮北地區(qū)補水的任務(wù)，該站經(jīng)過多年運行，機組的振動及噪聲明顯變大。本文以淮陰第二抽水站為研究對象，對泵站機組振動和噪聲進行現(xiàn)場測試、數(shù)值分析，研究機組運行狀態(tài)并提出改善措施。

1 泵站主機組設(shè)計與現(xiàn)狀

1.1 主機組設(shè)計選型情況

淮陰二站為大（2）型泵站工程，設(shè)計流量100 m3/s，設(shè)計凈揚程4.4 m。設(shè)計安裝3 臺3.1ZLQ-5 型立式軸流泵，配用TLW2800-40/3250 型同步電動機，總裝機容量為8 400 kW。采用肘形進水流道，虹吸式出水流道。

1.2 機組現(xiàn)狀

主水泵選用3.1ZLQ-5 全調(diào)節(jié)軸流泵。3#機組葉片與葉輪室間隙不均勻，采用厚薄規(guī)進行現(xiàn)場測量，葉片與葉輪室間隙最大值6.20 mm，最小值1.60 mm。3#水泵水導軸頸磨損嚴重，采用外徑千分尺實測最大磨損值29.48 mm。葉輪表面汽蝕嚴重，有導葉片尾部局部缺損。主電機選用TLW2800-40/3250，于2002 年投入運行，轉(zhuǎn)子絕緣可靠性差，每次開機都要烘烤繞阻，定子、轉(zhuǎn)子也不同程度老化，絕緣性降低。2#機組定子測溫傳感器損壞，下油缸有輕微滲油現(xiàn)象，運行葉片角度在-6°情況下會出現(xiàn)葉片角度指針上下浮動現(xiàn)象，調(diào)整至-5°則消失。3 臺主機組尾端電流互感器表面均有不同程度龜裂，3 臺機組的勵磁機整流盤部分功能模塊老化，由于機組震動偏大，長期運行會導致整流盤緊固螺絲松動，易導致整流模塊損壞。

1.3 實際運行工況

2016—2020 年抽水運行實測上下游水位情況見表1。上游多年平均水位11.33 m，下游多年平均水位9.29 m，泵站近5年運行平均凈揚程2.04 m。

表1 淮陰二站近5年抽水運行期上下游水位統(tǒng)計

根據(jù)淮陰二站水泵性能曲線可知水泵裝置運行高效區(qū)揚程為5.0～6.0 m，但泵站實際運行凈揚程僅2.04 m，因此水泵實際偏離高效區(qū)運行，這也使得機組運行不穩(wěn)定，是造成機組振動、噪聲加大的原因之一。

淮陰第二抽水站正常抽水平均揚程2.04 m 時，根據(jù)機組運行自動化監(jiān)控數(shù)據(jù)，1#、2#、3#機組（運行葉片角度分別為-6°、-4°、-6°）平均輸入電功率分別為1 200 kW、1 500 kW、1 300 kW，根據(jù)原型泵性能曲線，1#、2#、3#機組流量分別為32.1 m3/s、34.6 m3/s、32.1 m3/s，據(jù)此估算1#、2#、3#機組裝置效率分別為52.4%、45.2%、48.5%。根據(jù)《泵站技術(shù)管理規(guī)程》要求，裝置揚程為3.0～5.0 m軸流泵站的裝置效率不宜低于60%。裝置揚程低于3.0 m 的軸流泵站不宜低于55%。

2 振動噪聲監(jiān)測

于2019 年11 月29 日 至2020 年1 月17 日 開展現(xiàn)場振動及噪聲測量，測量設(shè)備采用GM63A 標智測振儀、VICTOR824B 噪聲儀。監(jiān)測期間共出現(xiàn)54 測次的異常情況（振動超過60 μm，噪聲超過90 dB），部分實測數(shù)據(jù)見表2。其中1#機組振動異常1 測次，噪聲異常38 測次；2#機組振動異常4 測次，噪聲異常45 測次；3#機組振動異常1 測次，噪聲異常42測次。

表2 機組振動和噪聲部分監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3 原因分析

3.1 泵裝置運行工況偏離設(shè)計工況

淮陰二站設(shè)計建設(shè)時間較早，受限于當時的技術(shù)及經(jīng)濟條件，使得泵站運行狀態(tài)無法達到先進水平。該泵裝置設(shè)計水位和運行水位存在偏差，長時間運行在大流量工況下，效率低，耗能大，易引發(fā)汽蝕與振動。

3.2 機械磨損

各機組噪聲均大于90 dB，1#機組平均噪聲93.06 dB，2#機組平均噪聲93.73 dB，3#機組平均噪聲93.3 dB，其中1#機組噪聲最大差值為6.5 dB，均已超過規(guī)范要求。軸頸磨損、葉片磨損、機組異常移動導致的機械摩擦是主要原因，由空化作用造成葉片破壞，過水不光滑，汽蝕加劇等同樣會造成噪聲、振動變大。機械磨損與機械振動相互影響，相互作用正向關(guān)聯(lián)，機組振動也是造成勵磁機整流盤問題頻發(fā)的主要原因。

3.3 機械式葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)缺陷

淮陰二站采用機械式全調(diào)節(jié)葉片機構(gòu)，機械式葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)運行過程中小軸受力不均勻，在運轉(zhuǎn)過程中會撞擊大軸，導致上導偏磨，易發(fā)生卡澀或者油箱溫度升高現(xiàn)象，軸承箱內(nèi)軸承易損壞，機械式調(diào)節(jié)機構(gòu)安裝高度高，現(xiàn)場檢修難度大。2#機組噪聲、振動均比1#、3#機組相對嚴重，2#機組運行在-6°情況下會出現(xiàn)葉片角度指針上下浮動現(xiàn)象，正是機械式葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)的連桿、拐背在機組振動摩擦等影響下造成了葉片指針上下浮動。

3.4 機組安裝誤差

機組振動較大，均超過50 μm，無法長時間運行。1#和3#機組振動都不超過65 μm，最大差值小于10 μm。2#機組異常振動最多，東西方向振動幅值相等，南北方向相差明顯，可能是由于機組外殼南北方向安裝誤差或發(fā)生位移引起的，3#機組可能也是同樣的原因。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 三維模型與網(wǎng)格劃分

圖1為淮陰二站原型泵裝置三維圖。淮陰二站泵裝置由肘形流道、葉輪、導葉、虹吸式流道4 個部分共同構(gòu)成。其中，肘形流道與虹吸式流道在Creo6.0 中進行三維建模并在ICEM-CFD 中進行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。葉輪與導葉在TurboGrid 中進行三維建模與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，葉輪在三維建模時考慮1 mm的葉頂間隙。

圖1 淮陰二站原型泵裝置三維圖

4.2 結(jié)果與分析

4.2.1 泵裝置特性

淮陰二站目前選用的水力模型以及原型泵參數(shù)導致泵裝置在葉片安放角為0°時，設(shè)計揚程下流量遠遠超過設(shè)計流量，同時高效區(qū)范圍明顯偏向高揚程方向，如果為了在設(shè)計揚程下降低泵裝置的流量，那么水泵的葉片安放角則必須向負角度偏移，這與原型泵段綜合特性曲線是相吻合的。

如果水泵以0°運行時，那么在設(shè)計揚程時泵裝置的流量就會超過設(shè)計流量，而泵站的幾何尺寸是一定的，流量的增大必然導致泵裝置內(nèi)水流流速的增加，過大的流速則可能會在泵內(nèi)產(chǎn)生流動分離所致的空化以及引起整個泵裝置的水力振動。

4.2.2 基于Zwart模型的空化數(shù)值計算

基于Zwart 空化模型對泵裝置進行設(shè)計揚程時全流場數(shù)值計算。為了對比分析水泵葉輪葉片上不同流線以及翼展的內(nèi)部流動特性，從葉片輪轂側(cè)至葉片外緣側(cè)依次劃分3條流線（圖2）。

圖2 葉片表面流線位置示意

由設(shè)計揚程時不同翼展葉道內(nèi)部流線可知，葉片外緣的流速大于靠近輪轂側(cè)的流速，根據(jù)伯努利方程可知，當不考慮位能與水力損失時流速增大會導致壓強降低，而壓強降低到一定值時流體會出現(xiàn)空化的現(xiàn)象。在葉片不同位置的流線上，葉輪葉片工作面的進口邊流線均出現(xiàn)了脫流的情況，葉輪葉片工作面的進水邊處出現(xiàn)了空腔。結(jié)合上述分析，淮陰二站泵裝置在葉片安放角為0°設(shè)計揚程時，水泵葉輪葉片進水邊工作面處有很大的可能性會產(chǎn)生空化現(xiàn)象。

由葉片安放角為0°設(shè)計揚程時水泵葉道內(nèi)氣泡體積分數(shù)云圖可知，水泵葉輪葉片工作面上確實出現(xiàn)了片狀空化的現(xiàn)象。在進口邊由于流速過大導致的流動分離現(xiàn)象引起的空化從進口邊一直延伸至50%～80%弦長的位置，其中靠近輪轂側(cè)的流線要比靠近泵殼處的流線空化現(xiàn)象更為嚴重。

這里所述的流動分離導致的空化是導致泵裝置發(fā)生水力振動的根本原因，首先流動分離現(xiàn)象發(fā)生在葉片的工作面，同時空化現(xiàn)象也發(fā)生在葉片工作面，這將直接影響到水泵對外做功的穩(wěn)定性，進而直接導致整個泵裝置的水力振動。

綜上所述，當淮陰二站泵裝置處于葉片安放角為0°設(shè)計揚程時，產(chǎn)生的水力振動是由于流量過大導致葉片進水邊產(chǎn)生流動分離現(xiàn)象，進而在葉片工作面產(chǎn)生了空化現(xiàn)象所導致的。

4.2.3 空化的非定常數(shù)值計算

空化非定常數(shù)值計算以空化定常數(shù)值計算結(jié)果為初始狀態(tài)進行計算，非定常數(shù)值計算的時間步長為0.0011 s，即水泵葉輪每旋轉(zhuǎn)1°計算1 次全流場，總時間為8 s，即水泵葉輪旋轉(zhuǎn)20圈的歷時。為了排除數(shù)值計算剛開始時數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定性，以最后一圈的數(shù)值計算結(jié)果進行分析。

由水泵葉輪葉片氣泡體積分數(shù)動態(tài)變化可知，不同時刻下，葉片工作面進水邊的氣泡較為穩(wěn)定，在空泡區(qū)域的尾部，隨著時間的推移空泡有規(guī)律地從空泡區(qū)脫落、潰滅，并在尾部形成較小的旋渦區(qū)。

5 結(jié)論與建議

淮陰二站正常運行期間上下游水位分別為9.2 m、11.3 m左右，主電機實際運行功率為1 300 kW左右，機組汽蝕震動，磨損嚴重，能耗較高，效率較低。

（1）數(shù)值分析表明，流量較大將會導致水泵葉輪葉片工作面的進口邊產(chǎn)生流動分離現(xiàn)象，進一步導致工作面發(fā)生空化現(xiàn)象，這是導致水泵產(chǎn)生水力振動的直接原因。

（2）改進機械式調(diào)節(jié)機構(gòu)為油壓內(nèi)置式調(diào)節(jié)機構(gòu)，降低調(diào)節(jié)機構(gòu)安裝高度，提高裝置可靠性，使檢修變得快捷。

（3）建議結(jié)合實際工況合理選擇泵站設(shè)計揚程，使泵裝置能長期運行在高效區(qū)附近，減小汽蝕的危害。選擇合適的更優(yōu)秀的泵水力模型，結(jié)合進出水流道進行泵站裝置模型優(yōu)化，從而保證水泵裝置在運行區(qū)內(nèi)的抽水效率不低于76%。